苏州莱瑞测信息科技有限公司
浅析电动汽车电磁兼容测试标准存在的问题及发展趋势
2017-01-12     来源:客车技术与研究    作者:覃延明 刘青松 李彬 许响林    浏览:1884    评论:0        
导读:摘要:全面介绍电动汽车及其关键零部件的电磁兼容测试标准现状,重点分析电动汽车电磁场发射强度测试标准中存在的不足,阐述电动汽车电磁兼容测试标准的发展趋势,为电动汽车整车和零部件的研发工作提供参考。关键词

摘要:全面介绍电动汽车及其关键零部件的电磁兼容测试标准现状,重点分析电动汽车电磁场发射强度
测试标准中存在的不足,阐述电动汽车电磁兼容测试标准的发展趋势,为电动汽车整车和零部件的研发工作提供参考。

关键词:电动汽车;电磁兼容;测试标准;发展趋势

电动汽车包括燃料电池汽车(FCV)、混合动力汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)三大类,其与传统燃油车的主要区别在于动力源及其驱动、控制系统。由于采用了更多的高压大功率电气部件以及系统集成度和电磁敏感度高的电子控制单元,电动汽车的电磁兼容(EMC)问题尤为突出[1-3],特别是其电源逆变器和电机驱动系统等关键零部件采用了脉冲调制技术(PWM),将产生大量的谐波干扰信号,不仅会影响车辆周围的无线电设备,还会通过传导或辐射的方式影响车辆内部制动防抱死系统(ABS)、安全气囊(SRS)和电子控制制动系统(EBS)等电子控制单元的工作可靠性,直接关系到车辆行驶的安全性[4-5]。因此,解决电动汽车的EMC问题至关重要,而开展电动汽车的EMC性能测试和标准研究是解决该问题的必要前提。本文结合重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心、重庆电磁兼容工程技术研究中心长期开展的电动汽车EMC试验及技术研究、咨询工作,着重分析现行电动汽车电磁场发射强度测试标准在试验可操作性和保证试验结果一致性上存在的不足,并在此基础上进一步阐述电动汽车EMC测试标准的发展趋势,为电动汽车整车和零部件的研发工作提供参考。

1 电动汽车EMC测试标准现状

目前,我国电动汽车的EMC测试标准体系已经初步建立,但在完备性、可操作性和一致性等方面仍有许多需要进一步改进的地方。现行国家标准中与电动汽车相关的EMC测试标准主要有GB14023-2006、GB/T18387-2008、GB/T17619-1998和GB18655-2002(GB/T18655-2010已经发布,但目前汽车公告管理仍在执行GB18655-2002)等,如表1所示,涉及整车及零部件的传导发射、电磁辐射骚扰、静电放电试验以及零部件的辐射、传导抗干扰试验等内容。

电动汽车属于汽车范畴,仍须执行传统燃油车的EMC测试标准。针对其特殊性,还必须增加新的测试内容,制定专门的测试项目或标准,通常均要求被测车辆(设备)在典型的或最严酷的工作状态下进行测试。表1中,GB/T18387-2008是专门针对电动汽车而制定的EMC测试标准,其它标准则可与传统燃油车通用,其中GB14023-2006对电动汽车在30MHz~1GHz频率范围内的电磁骚扰特性提出了与传统燃油车不同的测试要求:对装有独立电机驱动和内燃机驱动系统的车辆应分别测试,对装有混合动力系统的车辆应在同时驱动下测试,同时规定了对装有驱动电机的“车辆在空载的底盘测功机或非导电车轴架上,以40km/h的恒速驱动。如果最高车速达不到40km/h,则以最大车速驱动”;GB/T18387-2008规定了电动汽车在频率范围9kHz~30MHz的电场和磁场的辐射发射限值和测量方法,以及在频率范围450kHz~30MHz的车载电池充电系统的传导发射限值和测量方法。

国家级的车辆检测机构和国内电动汽车生产企业针对电动汽车的电场和磁场辐射骚扰已开展了大量研究和试验工作,但对车载电池充电系统的传导骚扰项目还执行得比较少。

表1国内主要的电动汽车EMC测试标准

 

此外,还有部分电动车标准虽然不是专门针对电动汽车电磁兼容性而制定的,但同样对其EMC性能测试作出了规定。如在文献[6]的系列标准中规定需按GB14023-2006和GB/T17619-1998进行电机及其控制器的EMC测试,在文献[7、8]中分别要求电动汽车仪表和DC/DC变换器满足GB18655-2002和GB/T17619-1998的测试要求。作为电动汽车的重要组成部分,电动汽车充电系统中也采用了大量的电力电子元器件,运行时也会产生大量的谐波干扰,造成正弦波形的畸变,使电能品质因数下降,给电网造成污染,影响发供电设备及其它用电设备。为此,国家出台了系列标准[9],对电动汽车接交流电网时的EMC测试也进行了规定,包括电源电压谐波、电源电压暂降和中断、快速瞬变脉冲群、浪涌、静电放电、辐射电磁场等电磁抗扰性测试以及电流谐波、电源线传导发射等骚扰测试要求。国家工信部已成立了专门的“新能源车项目”审查组。凡是登入汽车《公告》的电动汽车,除了必须满足传统燃油车的EMC测试要求外,还必须符合GB/T18387-2008中对电场和磁场发射的要求。对于安装有ABS系统的车辆(包含电动汽车)还必须满足GB/T17619-1998和GB18655-2002标准的要求。考虑到目前电动汽车的研发工作仍处于起步阶段,为鼓励电动汽车技术的发展,其它标准中有关EMC测试的内容尚未强制执行。

2 现行标准存在的主要问题

国内开展电动汽车EMC测试的时间较短,相关的电动汽车EMC测试标准基本是参照国外先进标准而制定的,但在完备性、可操作性和一致性等方面仍有许多不足。在开展电动汽车EMC测试过程中,发现现行标准主要存在以下问题:

1)国内现行标准不完备,缺少电动汽车整车的电磁辐射抗干扰标准,且其零部件的电磁辐射抗干扰标准已经严重滞后。电动汽车内电磁环境非常复杂,部分车载电子电器件在单独运行时能够通过EMC测试,但将其装配到整车以后,却产生了测试超标或工作异常等现象,因此,有必要开展包括整车在内的EMC测试工作。国外已经对电动汽车整车及零部件的电磁兼容性进行了具体而严格的规定(如欧盟指令72/245/EEC(2004/104/EC)和欧洲经济委员会法规ECER10),涵盖了电磁骚扰和抗干扰测试两方面内容。但我国现行EMC测试标准中,涉及电动汽车零部件的已经比较齐备,而涉及整车的除了抗静电放电标准外,仅包含了电磁骚扰测试方面的内容,没有对整车的电磁辐射抗扰性进行要求,因此,无法全面评价电动汽车的电磁兼容性能。

另外,我国目前仍在沿用10多年前制定的零部件电磁辐射抗干扰测试标准GB/T17619-1998,但是现在汽车电子技术已经发生了极大的变化,该标准所参照的国外标准已经过多次修订,且其采用的测试方法也发生了很大的变化,现行国标已经严重滞后。

2)GB/T18387-2008未给出被测车辆不满足试验车速时的测试要求,不便于实际操作。该标准的适用对象是电动车辆,规定了在时速40km/h下,对车辆的每一个侧面电磁场发射电平进行测量,以确定车辆最大发射面,然后以16km/h和64km/h车速运行,并根据所测得的数据确定电动汽车电场和磁场的最大骚扰电平。但是部分电动车辆(主要是混合动力车和电动摩托车)在电机独立驱动时,由于其电力输出功率有限,其车速只能达到16km/h和40km/h,甚至更低,但是标准中并未规定在此种情况下如何进行测试。此外,GB/T18387-2008要求被测车辆在三个车速上稳定运行,但标准未规定允许的车速波动范围。实际上被测车辆的速度很难稳定在这三个恒定车速上,总会有一定的波动。因此,建议标准给出允许的车速波动范围,以便于实际操作。

3)GB/T18387-2008未明确车辆最大发射面的确定方法及具体的试验布置,不能很好地保证试验结果的一致性。

该标准中,车辆的最大发射面是基于从车辆的4个侧面测得的最高电平确定的,但是该电平是基于绝对值进行判定,还是基于测试电平与限值的相对值进行判定,标准中并没有明确,同时,在寻找车辆最大发射面的过程中,标准仅规定了天线与车辆最近部分的距离,但对天线具体的摆放位置和移动的角度未作具体规定。由于车内骚扰源位置的不确定性,即使天线处于测试车辆的同一侧面,如果其与车辆的相对位置不同,测试结果也会有较大的差异,因此,在执行标准过程中很难操作。此外,由于不同测试机构在执行标准过程中可能会出现不同的理解,因此,不能很好地保证测试结果的一致性。

4)现行标准没有规定如何加载开展电动汽车EMC试验,不能有效评估其实际电磁场的辐射水平。GB14023-2006仅规定了电动汽车在空载的底盘测功机或非导电车轴架上进行测试;GB/T18387-2008规定了“车辆在不带负载的测功机或以定速在轮轴支架上运行”,虽然它也注明了“如果车辆在无负载状态下运行会引起动力系统损害或降低辐射发射电平,那么可以使用测功机,按水平道路给车辆加载”,但没有给出具体的实施细则,如测试过程中哪些电气设备需要开启,辐射发射电平降低到何种程度需要加载,以及对加载量的计算如何进行规定等。

 

从理论分析及实际测试结果来看,电动汽车运行在不同负载条件下,其对外电磁场辐射电平将产生较大差异[10]。电动汽车驱动电机与控制器之间的动力线是电动汽车对外电磁场辐射的主要路径。根据天线理论,可将动力线看作是由多个电偶极子组成的天线,其中单个电偶极子的电磁场辐射公式如式(1)-(5)所示[11]。根据场的叠加原理,应用上述公式积分后可求出动力线产生的电磁辐射场。

式中,E、H分别为电场和磁场;I为电偶极子天线电流密度;

l为电偶极子天线长度;r表示测试距离;θ、φ为球坐标方位角;ω为信号角频率;λ为信号波长;ε为传播介质介电常数;Z为自由空间波阻抗,波数k=2π/λ。从上述公式中可以看出,理论上,对于近区场和远区场,动力线产生的电场和磁场发射强度与其上电流正相关,电流大小差异越大,其电磁场发射强度的差异也越大。采用转毂模拟电动汽车在实际道路上的行驶状态,在不同加载情况下,其工作电流可能有较大的差异,产生不同强度的辐射电磁场。
受制于目前的测试设备(施),国内汽车检测机构基本上是采用架空车辆驱动轮或采用转毂空载的方式进行电动汽车EMC测试。此种方式也可通加载电气设备来改变电动汽车的工作电流以进一步验证。

以在国家客车质量监督检验中心开展的某混合动力汽车电磁场发射试验为例,在大功率空调和发动机散热器等车载设备全部开启时,动力线电流由24A上升到80A,电动车对外的电磁场发射电平也产生了很大的变化,如图1和图2所示。图2中,在车载电气设备开启后,该车的磁场发射电平最大可增大22dB。

图2 电气设备开启前的磁场Y方向发射电平(64km/h)

图3 电气设备开启后的磁场Y方向发射电平(64km/h)

因此,有必要进一步完善现行标准,对如何在加载方式下开展电动汽车EMC试验作出具体的规定。

3 发展趋势

随着国家对电动汽车EMC问题的日渐重视以及新的电动车EMC检测能力的建设完成,我国电动汽车电磁兼容的检测水平将进一步提高,标准化进程会进一步加快,原有标准将进一步被修订和完善,其执行力度也将会进一步加强。

1)我国将制定新的汽车整车和零部件电磁辐射抗干扰标准。针对我国汽车整车电磁辐射抗扰性标准缺失以及零部件电磁辐射抗干扰标准滞后的现状,国家拟参照ISO11451《道路车辆整车对窄带辐射电磁能的抗扰试验方法》和ISO11452《道路车辆电器/电子部件(ESA)对窄带辐射电磁能的抗扰试验方法》制定新的针对整车及零部件的电磁抗干扰测试标准(同样适用于电动汽车)。新电磁抗干扰测试标准的转化、制定工作计划于2012年完成。新标准发布实施后,国家主管部门将增加对汽车整车电磁辐射抗扰性的要求。

2)我国将制定一个全面统一的强制性电磁兼容标准。目前我国出口欧盟的汽车产品需符合72/245/EC或ECER10的要求(两者技术要求基本一致,测试方法细节程序大部分引用CISPR和ISO的标准),其中ECER10新的第4版标准已于2011年10月28日强制实施,不仅涵盖了原有的车辆发射和抗扰,零部件的发射、抗干扰和抗静电放电等内容,还增加了针对电动汽车充电系统的试验内容。国家汽车标准化委员会拟参照ECER10制定全面统一的国家强制性标准《道路车辆电磁兼容技术要求》。届时对电动汽车充电系统的EMC要求将可能严格执行,对汽车零部件电磁辐射抗扰性测试的严酷度要求将严于GB/T17619-1998,GB/T17619-1998也失去了存在的作用,可以申请废止。

3)我国将进一步提高对电动汽车EMC检测能力的要求。为了客观评价电动汽车的EMC性能,必须提供一个能够模拟电动汽车运行状态的测试环境,其必要技术平台就是带有专用转毂测试系统的电磁兼容暗室。国家工信部已经发布了“汽车产业技术进步和技术改造投资方向(2010年)”,对于第三方汽车及零部件公共检测机构能力建设,明确提出“电磁检测能力建设:具备基于整车转毂法的十米法半电波暗室进行重型商用车车辆辐射及抗扰测试的试验检测能力”。国内各国家级汽车检测机构将在2012年初陆续建成具备上述能力的EMC测试平台,其中国家客车检测中心将建成国内功率最大、轴距最长的三轴四驱汽车EMC专用测试转毂。届时,电动汽车的EMC测试将不再受制于测试设备(施),相关机构可对其EMC测试技术开展进一步研究,并对试验标准进行完善和细化。国家主管部门也将在执行相关标准的过程中增加电动汽车在加载方式下进行EMC测试的要求。

4 结束语

电动汽车相比于传统燃油车增加了许多电力电子装置,由此引发的EMC问题尤为突出,需要更加重视。随着电动汽车产业的进一步发展和国家主管部门越来越严格的要求,电动汽车EMC测试内容将备受关注。现行EMC测试标准在执行过程中还存在许多问题,在电动汽车EMC测试能力技术改造完成后,通过对电动汽车EMC测试技术的研究,并开展企业、行业、国家的EMC技术标准的制(修)订工作,现有标准将会在执行细节上进一步细化,更具可操作性。

参考文献:

[1]朱学军,张逸成.电动汽车动力电力电子装置的电磁兼容性研究现状[J].安全与电磁兼容,2009,(2):81-85.

[2]李卫华,张逸成,姚勇涛,等.电动汽车中的EMC问题研究[C]//2002中国电动汽车研究与开发论文集.北京:中国电工技术学会,2002:235-239.
[3]张逸成,

韩新春,沈玉琢,等.电动汽车用直流-直流变换器中电磁干扰与抑制[J].同济大学学报:自然科学版,2005,(1):108-110.

[4]董悦航,孙磊,杜建福.混合动力客车中电磁干扰对发动机E-CU功能的影响及改进[J].柴油机设计与制造,2010,(3):10-13.

[5]金松涛,刘青松.混合动力汽车电磁兼容技术研究[J].客车技术与研究,2010, (2)45-47.

[6]GB/T18488.1-2006,电动汽车用电机及其控制器(第1部分:技术条件)[S].北京:中国标准出版社,2006.

[7]GB/T19836-2005,电动汽车用仪表[S].北京:中国标准出版社,2005.[8]GB/T24347-2009,电动汽车DC/DC变换器[S].北京:中国标准出版社,
2009.

[9]GB/T18487.3-2001,电动车辆传导充电系统电动车辆交流/直流充电机(站)[S].北京:中国标准出版社,2001.

[10]陈乃云,魏东北,李一枚.电磁场与电磁波理论基础[M].北京:中国铁道出版社,2001:290-292.

[11]顾海雷.混合动力汽车在不同运行状态时辐射骚扰测试结果实例解析[J],电磁干扰与兼容,2010,(3):53-57.

作者简介:覃延明 男 助理研究员 博士;主要从事车辆电磁兼容和计算电磁学的研究工作。

覃延明1,2,刘青松1,2,李彬1,2,许响林1,2(1.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心,重庆401122;2;重庆市电磁兼容工程技术研究中心,重庆401122)

 

 

0相关评论

更多>相关电磁兼容
推荐图文
推荐电磁兼容
阅读排行
评论排行
热门搜索
关于我们
网站介绍
公司简介
版权声明
联系我们
我们的服务
会员服务
广告服务
排名推广
定制服务
帮助中心
积分规则
积分换礼
网站留言
网站地图
客服电话
0512-68157565
17314226061
在线客服
微信公众号
安规与电磁兼容网微信公众号
手机版
安规与电磁兼容网手机版